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Bash 的模式扩展

阮一峰...大约 16 分钟LinuxBash

简介

Shell 接收到用户输入的命令以后，会根据空格将用户的输入，拆分成一个个词元(token)。然后，Shell 会扩展词元里面的特殊字符，扩展完成后才会调用相应的命令。

这种特殊字符的扩展，称为模式扩展(globbing)。其中有些用到通配符，又称为通配符扩展(wildcard expansion)。Bash 一共提供八种扩展。

  • 波浪线扩展
  • ? 字符扩展
  • * 字符扩展
  • 方括号扩展
  • 大括号扩展
  • 变量扩展
  • 子命令扩展
  • 算术扩展

本章介绍这八种扩展。

Bash 是先进行扩展，再执行命令。因此，扩展的结果是由 Bash 负责的，与所要执行的命令无关。命令本身并不存在参数扩展，收到什么参数就原样执行。这一点务必需要记住。

globbing 这个词，来自于早期的 Unix 系统有一个 /etc/glob 文件，保存扩展的模板。后来 Bash 内置了这个功能，但是这个名字就保留了下来。

模式扩展与正则表达式的关系是，模式扩展早于正则表达式出现，可以看作是原始的正则表达式。它的功能没有正则那么强大灵活，但是优点是简单和方便。

Bash 允许用户关闭扩展。

$ set -o noglob
# 或者
$ set -f

下面的命令可以重新打开扩展。

$ set +o noglob
# 或者
$ set +f

波浪线扩展

波浪线 ~ 会自动扩展成当前用户的主目录。

$ echo ~
/home/me

~/dir 表示扩展成主目录的某个子目录，dir 是主目录里面的一个子目录名。

# 进入 /home/me/foo 目录
$ cd ~/foo

~user 表示扩展成用户 user 的主目录。

$ echo ~foo
/home/foo

$ echo ~root
/root

上面例子中，Bash 会根据波浪号后面的用户名，返回该用户的主目录。

如果 ~user 的 user 是不存在的用户名，则波浪号扩展不起作用。

$ echo ~nonExistedUser
~nonExistedUser

~+ 会扩展成当前所在的目录，等同于 pwd 命令。

$ cd ~/foo
$ echo ~+
/home/me/foo

? 字符扩展

? 字符代表文件路径里面的任意单个字符，不包括空字符。比如，Data??? 匹配所有 Data 后面跟着三个字符的文件名。

# 存在文件 a.txt 和 b.txt
$ ls ?.txt
a.txt b.txt

上面命令中，? 表示单个字符，所以会同时匹配 a.txt 和 b.txt。

如果匹配多个字符，就需要多个 ? 连用。

# 存在文件 a.txt、b.txt 和 ab.txt
$ ls ??.txt
ab.txt

上面命令中，?? 匹配了两个字符。

? 字符扩展属于文件名扩展，只有文件确实存在的前提下，才会发生扩展。如果文件不存在，扩展就不会发生。

# 当前目录有 a.txt 文件
$ echo ?.txt
a.txt

# 当前目录为空目录
$ echo ?.txt
?.txt

上面例子中，如果 ?.txt 可以扩展成文件名，echo 命令会输出扩展后的结果；如果不能扩展成文件名，echo 就会原样输出 ?.txt。

* 字符扩展

* 字符代表文件路径里面的任意数量的任意字符，包括零个字符。

# 存在文件 a.txt、b.txt 和 ab.txt
$ ls *.txt
a.txt b.txt ab.txt

上面例子中，*.txt 代表后缀名为 .txt 的所有文件。

如果想输出当前目录的所有文件，直接用 * 即可。

ls *

* 可以匹配空字符，下面是一个例子。

# 存在文件 a.txt、b.txt 和 ab.txt
$ ls a*.txt
a.txt ab.txt

$ ls *b*
b.txt ab.txt

注意，* 不会匹配隐藏文件(以 . 开头的文件)，即 ls * 不会输出隐藏文件。

如果要匹配隐藏文件，需要写成 .*。

# 显示所有隐藏文件
$ echo .*

如果要匹配隐藏文件，同时要排除 . 和 .. 这两个特殊的隐藏文件，可以与方括号扩展结合使用，写成 .[!.]*。

echo .[!.]*

注意，* 字符扩展属于文件名扩展，只有文件确实存在的前提下才会扩展。如果文件不存在，就会原样输出。

# 当前目录不存在 c 开头的文件
$ echo c*.txt
c*.txt

上面例子中，当前目录里面没有 c 开头的文件，导致 c*.txt 会原样输出。

* 只匹配当前目录，不会匹配子目录。

# 子目录有一个 a.txt
# 无效的写法
$ ls *.txt

# 有效的写法
$ ls */*.txt

上面的例子，文本文件在子目录，*.txt 不会产生匹配，必须写成 */*.txt。有几层子目录，就必须写几层星号。

Bash 4.0 引入了一个参数 globstar，当该参数打开时，允许 ** 匹配零个或多个子目录。因此，**/*.txt 可以匹配顶层的文本文件和任意深度子目录的文本文件。详细介绍请看后面 shopt 命令的介绍。

方括号扩展

方括号扩展的形式是 [...]，只有文件确实存在的前提下才会扩展。如果文件不存在，就会原样输出。括号之中的任意一个字符。比如，[aeiou] 可以匹配五个元音字母中的任意一个。

# 存在文件 a.txt 和 b.txt
$ ls [ab].txt
a.txt b.txt

# 只存在文件 a.txt
$ ls [ab].txt
a.txt

上面例子中，[ab] 可以匹配 a 或 b，前提是确实存在相应的文件。

方括号扩展属于文件名匹配，即扩展后的结果必须符合现有的文件路径。如果不存在匹配，就会保持原样，不进行扩展。

# 不存在文件 a.txt 和 b.txt
$ ls [ab].txt
ls: 无法访问'[ab].txt': 没有那个文件或目录

上面例子中，由于扩展后的文件不存在，[ab].txt 就原样输出了，导致 ls 命名报错。

方括号扩展还有两种变体: [^...] 和 [!...]。它们表示匹配不在方括号里面的字符，这两种写法是等价的。比如，[^abc] 或 [!abc] 表示匹配除了 a、b、c 以外的字符。

# 存在 aaa、bbb、aba 三个文件
$ ls ?[!a]?
aba bbb

上面命令中，[!a] 表示文件名第二个字符不是 a 的文件名，所以返回了 aba 和 bbb 两个文件。

注意，如果需要匹配 [ 字符，可以放在方括号内，比如 [[aeiou]。如果需要匹配连字号 -，只能放在方括号内部的开头或结尾，比如 [-aeiou] 或 [aeiou-]。

[start-end] 扩展

方括号扩展有一个简写形式 [start-end]，表示匹配一个连续的范围。比如，[a-c] 等同于 [abc]，[0-9] 匹配 [0123456789]。

# 存在文件 a.txt、b.txt 和 c.txt
$ ls [a-c].txt
a.txt
b.txt
c.txt

# 存在文件 report1.txt、report2.txt 和 report3.txt
$ ls report[0-9].txt
report1.txt
report2.txt
report3.txt
...

下面是一些常用简写的例子。

  • [a-z]: 所有小写字母。
  • [a-zA-Z]: 所有小写字母与大写字母。
  • [a-zA-Z0-9]: 所有小写字母、大写字母与数字。
  • [abc]*: 所有以 a、b、c 字符之一开头的文件名。
  • program.[co]: 文件 program.c 与文件 program.o。
  • BACKUP.[0-9][0-9][0-9]: 所有以 BACKUP. 开头，后面是三个数字的文件名。

这种简写形式有一个否定形式 [!start-end]，表示匹配不属于这个范围的字符。比如，[!a-zA-Z] 表示匹配非英文字母的字符。

$ echo report[!1–3].txt
report4.txt report5.txt

上面代码中，[!1-3] 表示排除 1、2 和 3。

大括号扩展

大括号扩展 {...} 表示分别扩展成大括号里面的所有值，各个值之间使用逗号分隔。比如，{1,2,3} 扩展成 1 2 3。

$ echo {1,2,3}
1 2 3

$ echo d{a,e,i,u,o}g
dag deg dig dug dog

$ echo Front-{A,B,C}-Back
Front-A-Back Front-B-Back Front-C-Back

注意，大括号扩展不是文件名扩展。它会扩展成所有给定的值，而不管是否有对应的文件存在。

$ ls {a,b,c}.txt
ls: 无法访问'a.txt': 没有那个文件或目录
ls: 无法访问'b.txt': 没有那个文件或目录
ls: 无法访问'c.txt': 没有那个文件或目录

上面例子中，即使不存在对应的文件，{a,b,c} 依然扩展成三个文件名，导致 ls 命令报了三个错误。

另一个需要注意的地方是，大括号内部的逗号前后不能有空格。否则，大括号扩展会失效。

$ echo {1 , 2}
{1 , 2}

上面例子中，逗号前后有空格，Bash 就会认为这不是大括号扩展，而是三个独立的参数。

逗号前面可以没有值，表示扩展的第一项为空。

$ cp a.log{,.bak}

# 等同于
# cp a.log a.log.bak

大括号可以嵌套。

$ echo {j{p,pe}g,png}
jpg jpeg png

$ echo a{A{1,2},B{3,4}}b
aA1b aA2b aB3b aB4b

大括号也可以与其他模式联用，并且总是先于其他模式进行扩展。

$ echo {cat,d*}
cat dawg dg dig dog doug dug

上面例子中，会先进行大括号扩展，然后进行 * 扩展。

大括号可以用于多字符的模式，方括号不行(只能匹配单字符)。

$ echo {cat,dog}
cat dog

由于大括号扩展 {...} 不是文件名扩展，所以它总是会扩展的。这与方括号扩展 [...] 完全不同，如果匹配的文件不存在，方括号就不会扩展。这一点要注意区分。

# 不存在 a.txt 和 b.txt
$ echo [ab].txt
[ab].txt

$ echo {a,b}.txt
a.txt b.txt

上面例子中，如果不存在 a.txt 和 b.txt，那么 [ab].txt 就会变成一个普通的文件名，而 {a,b}.txt 可以照样扩展。

{start..end} 扩展

大括号扩展有一个简写形式 {start..end}，表示扩展成一个连续序列。比如，{a..z} 可以扩展成 26 个小写英文字母。

$ echo {a..c}
a b c

$ echo d{a..d}g
dag dbg dcg ddg

$ echo {1..4}
1 2 3 4

$ echo Number_{1..5}
Number_1 Number_2 Number_3 Number_4 Number_5

这种简写形式支持逆序。

$ echo {c..a}
c b a

$ echo {5..1}
5 4 3 2 1

注意，如果遇到无法理解的简写，大括号模式就会原样输出，不会扩展。

$ echo {a1..3c}
{a1..3c}

这种简写形式可以嵌套使用，形成复杂的扩展。

$ echo .{mp{3..4},m4{a,b,p,v}}
.mp3 .mp4 .m4a .m4b .m4p .m4v

大括号扩展的常见用途为新建一系列目录。

mkdir {2007..2009}-{01..12}

上面命令会新建 36 个子目录，每个子目录的名字都是”年份-月份“。

这个写法的另一个常见用途，是直接用于 for 循环。

for i in {1..4}
do
  echo $i
done

上面例子会循环 4 次。

如果整数前面有前导 0，扩展输出的每一项都有前导 0。

$ echo {01..5}
01 02 03 04 05

$ echo {001..5}
001 002 003 004 005

这种简写形式还可以使用第二个双点号(start..end..step)，用来指定扩展的步长。

$ echo {0..8..2}
0 2 4 6 8

上面代码将 0 扩展到 8，每次递增的长度为 2，所以一共输出 5 个数字。

多个简写形式连用，会有循环处理的效果。

$ echo {a..c}{1..3}
a1 a2 a3 b1 b2 b3 c1 c2 c3

变量扩展

Bash 将美元符号 $ 开头的词元视为变量，将其扩展成变量值，详见Bash 变量 一章。

$ echo $SHELL
/bin/bash

变量名除了放在美元符号后面，也可以放在 ${} 里面。

$ echo ${SHELL}
/bin/bash

${!string*} 或 ${!string@} 返回所有匹配给定字符串 string 的变量名。

$ echo ${!S*}
SECONDS SHELL SHELLOPTS SHLVL SSH_AGENT_PID SSH_AUTH_SOCK

上面例子中，${!S*} 扩展成所有以 S 开头的变量名。

子命令扩展

$(...) 可以扩展成另一个命令的运行结果，该命令的所有输出都会作为返回值。

$ echo $(date)
Tue Jan 28 00:01:13 CST 2020

上面例子中，$(date) 返回 date 命令的运行结果。

还有另一种较老的语法，子命令放在反引号之中，也可以扩展成命令的运行结果。

$ echo `date`
Tue Jan 28 00:01:13 CST 2020

$(...) 可以嵌套，比如 $(ls $(pwd))。

算术扩展

$((...)) 可以扩展成整数运算的结果，详见 Bash 的算术运算 一章。

$ echo $((2 + 2))
4

字符类

[[:class:]] 表示一个字符类，扩展成某一类特定字符之中的一个。常用的字符类如下。

  • [[:alnum:]]: 匹配任意英文字母与数字
  • [[:alpha:]]: 匹配任意英文字母
  • [[:blank:]]: 空格和 Tab 键。
  • [[:cntrl:]]: ASCII 码 0-31 的不可打印字符。
  • [[:digit:]]: 匹配任意数字 0-9。
  • [[:graph:]]: A-Z、a-z、0-9 和标点符号。
  • [[:lower:]]: 匹配任意小写字母 a-z。
  • [[:print:]]: ASCII 码 32-127 的可打印字符。
  • [[:punct:]]: 标点符号(除了 A-Z、a-z、0-9 的可打印字符)。
  • [[:space:]]: 空格、Tab、LF(10)、VT(11)、FF(12)、CR(13)。
  • [[:upper:]]: 匹配任意大写字母 A-Z。
  • [[:xdigit:]]: 16 进制字符(A-F、a-f、0-9)。

请看下面的例子。

echo [[:upper:]]*

上面命令输出所有大写字母开头的文件名。

字符类的第一个方括号后面，可以加上感叹号 !，表示否定。比如，[![:digit:]] 匹配所有非数字。

echo [![:digit:]]*

上面命令输出所有不以数字开头的文件名。

字符类也属于文件名扩展，如果没有匹配的文件名，字符类就会原样输出。

# 不存在以大写字母开头的文件
$ echo [[:upper:]]*
[[:upper:]]*

上面例子中，由于没有可匹配的文件，字符类就原样输出了。

使用注意点

通配符有一些使用注意点，不可不知。

(1)通配符是先解释，再执行。

Bash 接收到命令以后，发现里面有通配符，会进行通配符扩展，然后再执行命令。

$ ls a*.txt
ab.txt

上面命令的执行过程是，Bash 先将 a*.txt 扩展成 ab.txt，然后再执行 ls ab.txt。

(2)文件名扩展在不匹配时，会原样输出。

文件名扩展在没有可匹配的文件时，会原样输出。

# 不存在 r 开头的文件名
$ echo r*
r*

上面代码中，由于不存在 r 开头的文件名，r* 会原样输出。

下面是另一个例子。

$ ls *.csv
ls: *.csv: No such file or directory

另外，前面已经说过，大括号扩展 {...} 不是文件名扩展。

(3)只适用于单层路径。

所有文件名扩展只匹配单层路径，不能跨目录匹配，即无法匹配子目录里面的文件。或者说，? 或 * 这样的通配符，不能匹配路径分隔符 (/)。

如果要匹配子目录里面的文件，可以写成下面这样。

ls */*.txt

Bash 4.0 新增了一个 globstar 参数，允许 ** 匹配零个或多个子目录，详见后面 shopt 命令的介绍。

(4)文件名可以使用通配符。

Bash 允许文件名使用通配符，即文件名包括特殊字符。这时引用文件名，需要把文件名放在单引号里面。

$ touch 'fo*'
$ ls
fo*

上面代码创建了一个 fo* 文件，这时 * 就是文件名的一部分。

量词语法

量词语法用来控制模式匹配的次数。它只有在 Bash 的 extglob 参数打开的情况下才能使用，不过一般是默认打开的。下面的命令可以查询。

$ shopt extglob
extglob         on

量词语法有下面几个。

  • ?(pattern-list): 匹配零个或一个模式。
  • *(pattern-list): 匹配零个或多个模式。
  • +(pattern-list): 匹配一个或多个模式。
  • @(pattern-list): 只匹配一个模式。
  • !(pattern-list): 匹配零个或一个以上的模式，但不匹配单独一个的模式。
$ ls abc?(.)txt
abctxt abc.txt

上面例子中，?(.) 匹配零个或一个点。

$ ls abc?(def)
abc abcdef

上面例子中，?(def) 匹配零个或一个 def。

$ ls abc+(.txt|.php)
abc.php abc.txt

上面例子中，+(.txt|.php) 匹配文件有一个 .txt 或 .php 后缀名。

$ ls abc+(.txt)
abc.txt abc.txt.txt

上面例子中，+(.txt) 匹配文件有一个或多个 .txt 后缀名。

量词语法也属于文件名扩展，如果不存在可匹配的文件，就会原样输出。

# 没有 abc 开头的文件名
$ ls abc?(def)
ls: 无法访问'abc?(def)': 没有那个文件或目录

上面例子中，由于没有可匹配的文件，abc?(def) 就原样输出，导致 ls 命令报错。

shopt 命令

shopt 命令可以调整 Bash 的行为。它有好几个参数跟通配符扩展有关。

shopt 命令的使用方法如下。

# 打开某个参数
$ shopt -s [optionname]

# 关闭某个参数
$ shopt -u [optionname]

# 查询某个参数关闭还是打开
$ shopt [optionname]

  1. dotglob 参数

    dotglob 参数可以让扩展结果包括隐藏文件(即点开头的文件)。

    正常情况下，扩展结果不包括隐藏文件。

    $ ls *
abc.txt

    打开 dotglob，就会包括隐藏文件。

    $ shopt -s dotglob
$ ls *
abc.txt .config

  2. nullglob 参数

    nullglob 参数可以让通配符不匹配任何文件名时，返回空字符。

    默认情况下，通配符不匹配任何文件名时，会保持不变。

    $ rm b*
rm: 无法删除'b*': 没有那个文件或目录

    上面例子中，由于当前目录不包括 b 开头的文件名，导致 b* 不会发生文件名扩展，保持原样不变，所以 rm 命令报错没有 b* 这个文件。

    打开 nullglob 参数，就可以让不匹配的通配符返回空字符串。

    $ shopt -s nullglob
$ rm b*
rm: 缺少操作数

    上面例子中，由于没有 b* 匹配的文件名，所以 rm b* 扩展成了 rm，导致报错变成了”缺少操作数“。

  3. failglob 参数

    failglob 参数使得通配符不匹配任何文件名时，Bash 会直接报错，而不是让各个命令去处理。

    $ shopt -s failglob
$ rm b*
bash: 无匹配: b*

    上面例子中，打开 failglob 以后，由于 b* 不匹配任何文件名，Bash 直接报错了，不再让 rm 命令去处理。

  4. extglob 参数

    extglob 参数使得 Bash 支持 ksh 的一些扩展语法。它默认应该是打开的。

    $ shopt extglob
extglob         on

    它的主要应用是支持量词语法。如果不希望支持量词语法，可以用下面的命令关闭。

    shopt -u extglob

  5. nocaseglob 参数

    nocaseglob 参数可以让通配符扩展不区分大小写。

    $ shopt -s nocaseglob
$ ls /windows/program*
/windows/ProgramData
/windows/Program Files
/windows/Program Files (x86)

    上面例子中，打开 nocaseglob 以后，program* 就不区分大小写了，可以匹配 ProgramData 等。

  6. globstar 参数

    globstar 参数可以使得 ** 匹配零个或多个子目录。该参数默认是关闭的。

    假设有下面的文件结构。

    a.txt
sub1/b.txt
sub1/sub2/c.txt

    上面的文件结构中，顶层目录、第一级子目录 sub1、第二级子目录 sub1\sub2 里面各有一个文本文件。请问怎样才能使用通配符，将它们显示出来?

    默认情况下，只能写成下面这样。

    $ ls *.txt */*.txt */*/*.txt
a.txt  sub1/b.txt  sub1/sub2/c.txt

    这是因为 * 只匹配当前目录，如果要匹配子目录，只能一层层写出来。

    打开 globstar 参数以后，** 匹配零个或多个子目录。因此，**/*.txt 就可以得到想要的结果。

    $ shopt -s globstar
$ ls **/*.txt
a.txt  sub1/b.txt  sub1/sub2/c.txt

参考链接

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